2021 第六屆全球人工智能大會 (GAIR 2021) 近日于深圳正式召開。歷經(jīng)五年，見證數(shù)次潮水的轉(zhuǎn)向，成為目前為止粵港澳大灣區(qū)人工智能領(lǐng)域規(guī)模最大、規(guī)格最高的學(xué)術(shù)、工業(yè)和投資領(lǐng)域跨界盛會。
GAIR 2021“集成電路高峰論壇: 國產(chǎn)高端芯片之路”，集聚來自學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè) 界和投資界的 15 位大咖，探討了國產(chǎn)高端芯片的實力以及 RISC-V 帶給中國芯片 的機(jī)會。
來自上海處理器技術(shù)創(chuàng)新中心顧問，前 Intel 副總裁，前 Intel 中國研究院院?方 之熙通過線上視頻的方式帶來了《開源指令集 ISA 能成為新一代成功的微處理機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)嗎?》的主題分享，探討 RISC-V 的商業(yè)成功問題。
在方之熙的分享中，提到在不遠(yuǎn)的將來，RISC-V 可能會跟 X86、ARM 形成三足鼎立的格局。他通過當(dāng)前指令集架構(gòu)的三種不同模式，闡明 RISC-V 開創(chuàng)的自由設(shè)計模式的創(chuàng)新性。
RISC-V 究竟有多大的市場空間?在可預(yù)測的市場中，可編程邏輯芯片在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游中所占據(jù)利潤和營業(yè)額最大，這意味著 RISC-V 的市場潛力巨大。
為此，方之熙給出一個標(biāo)準(zhǔn):“從商業(yè)成功?度來看，如果某家以 RISC-V 為架構(gòu)的芯片公司每年產(chǎn)值能達(dá)到 100 億美金，那就是一家成功的公司。”
礙于 X86 和 ARM 已經(jīng)分別占據(jù)絕大部分 PC 和移動市場，現(xiàn)階段 RISC-V 發(fā)展最快的是 IoT 領(lǐng)域，工控領(lǐng)域的發(fā)展尤為明顯。不過，RISC-V 也面臨一些來自技術(shù)難題和商業(yè)挑戰(zhàn)，方之熙博士的演講中有更多信息。
以下是方之熙博士在 GAIR 2021 上的演講內(nèi)容，我們對其進(jìn)行了不改變原意的編輯整理:
RISC-V 開創(chuàng)新的自由設(shè)計模式
RISC-V 于 2010 年在加州伯克利啟動，國內(nèi)開始關(guān)注到 RISC-V 是 2016 年左右，我從 2018 年開始擔(dān)任 RISC-V 基金會中國委員會主席。RISC-V 基金會是非盈利組織，其理事會相當(dāng)于董事會，是整個 RISC-V 的領(lǐng)導(dǎo)小組，目前有大約 1000 家公司加入了 RISC-V 基金會并與其建立了良好關(guān)系。
三國時期，曹操和孫權(quán)等謀士預(yù)見三國鼎立的格局，諸葛亮不光看到這一趨勢，還指出了路線圖，他告訴劉備先奪得荊州，再拿下四川，北上打下關(guān)中，又令一上將從荊州領(lǐng)兵北上，合力拿下長安，再攻取潼關(guān)，與曹操、孫權(quán)逐鹿中原，奪取天下。諸葛亮告訴劉備如何一步一步往前走，非常厲害。
開源 ISA 極具創(chuàng)新性，大家都認(rèn)為在不遠(yuǎn)的將來，RISC-V 將會同 X86、ARM 形成三足鼎立的格局，那么 RISC-V 作為其中一方，想要其保持實力往前發(fā)展，就需要像諸葛亮一樣看清路線圖。
當(dāng)我們要設(shè)計一款微處理器芯片時，需要先確定使用何種指令架構(gòu)，然后再根據(jù)指令架構(gòu)設(shè)計芯片和微處理器，最后流片生產(chǎn)。芯片設(shè)計有三種不同的模式：
封閉設(shè)計。Intel X86 系統(tǒng)架構(gòu)是由自己公司引領(lǐng)的，其他公司如果需要使用其指令集設(shè)計微處理器，則需要拿到專利，不然不被允許使用。英特爾自己設(shè)計生產(chǎn)，從系統(tǒng)架構(gòu)到芯片制造都在自己公司進(jìn)行，屬于完全封閉的設(shè)計。
專利設(shè)計。Arm 賣專利不賣芯片，此外，Arm 也提供微處理器的設(shè)計，其將 IP 賣給高通、蘋果、華為等大公司，后者基于 ARM 指令集設(shè)計自己的芯片。還有一些小公司用 ARM 設(shè)計好的 IP 做自己的 SoC 生產(chǎn)或代工芯片。這是 ISA 靠專利賺錢的模式。
自由開放設(shè)計。開源的 RISC-V 屬于第三種模式，任何人都可以使用這一套指令集。很多公司會基于 RISC-V 做好設(shè)計然后賣專利，SiFive 就是這樣的模式。另外一些公司，如西部數(shù)據(jù)則是基于 RISC-V 開源指令集自研芯片，然后加工生產(chǎn)。
PC 時代盛行封閉設(shè)計模式，移動手機(jī)時代，專利模式當(dāng)?shù)?。如今，RISC-V 開創(chuàng)了新的自由設(shè)計模式。
RISC-V 商業(yè)機(jī)會大，工控領(lǐng)域尤為明顯
為什么我們對指令集架構(gòu)如此感興趣?可以從下面這張圖中得到答案。
這是一張源自 McKinsey 公司 1996 年至 2014 年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈黃金賽道統(tǒng)計圖。從生產(chǎn)鏈來講，最左邊的設(shè)備材料公司，例如 ASML、LAM、KLA、ASM 等公司盈利穩(wěn)定，但市場不大，相對而言營業(yè)額并不高。
第二行是包括 CAD、EDA 在內(nèi)的軟件設(shè)計公司，軟件賣給芯片設(shè)計公司，能賺錢，但營業(yè)額同樣上不去。
第三行是賣 IP 的公司，市場小，盈利穩(wěn)定，但營業(yè)額不高。
中間最大的一塊，是可編程邏輯芯片，比如 GPU、CPU、手機(jī)里的 AP、IoT 用的 MCU，利潤最高，營業(yè)額最大。Memory 盈利的時候能夠賺不少，但同樣也面臨較大的虧損風(fēng)險。
最右邊一行是臺積電、中芯國際、三星等芯片代工廠，最近 7 年變化很大，如今的臺積電營業(yè)額和利潤都增長得特別快，但與通用芯片公司相比，其利潤還是會低一些。這就是為什么我們重視包括 GPU、CPU、MCU 在內(nèi)的芯片公司，這是因為它們在整個芯片產(chǎn)業(yè)中占據(jù)最大市場份額，同時盈利最高。
如果觀察今年第一季度營業(yè)額排名全球前十五的半導(dǎo)體公司，可以發(fā)現(xiàn)，除了晶圓廠和存儲器芯片公司之外，大部分都是可編程的通用芯片公司，這些公司的季度營業(yè)額都在 25 億美金以上，由此可以估計一年的營業(yè)額約為 100 億美金。
因此，從商業(yè)角度講，如果將來以 RISC-V 為架構(gòu)的芯片公司，如果年產(chǎn)值能夠達(dá)到 100 億美金，那將是非常成功的公司。
RISC-V 公司成功的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域在哪里?目前市面上有各種各樣的預(yù)測，我認(rèn)為這一預(yù)測比較靠譜：以 RISC-V 為系統(tǒng)架構(gòu)的芯片產(chǎn)業(yè)將在 IoT 領(lǐng)域發(fā)展最大，尤其是在工控領(lǐng)域的發(fā)展最快。這和 RISC-V 的特點有關(guān) —— 允許設(shè)計者增添自己的新設(shè)計，符合工控領(lǐng)域客戶的要求。
當(dāng)然，RISC-V 要想在工控領(lǐng)域拓展市場，還需要有優(yōu)秀的通信技術(shù)和芯片加工工藝來加持，才能最終看見成效。
芯片產(chǎn)業(yè)有一個基本原則，量一定要大才有可能成功商業(yè)化。因此我們在設(shè)計芯片時，需要問自己，將來我們的芯片可以攻下哪個市場?
一般可以分為面向新應(yīng)用場景的增量市場和用于替代其他產(chǎn)品的存量市場，兩種市場帶來不同的設(shè)計原則。X86 和 ARM 就是得益于增量市場，X86 跟隨 PC 成長，ARM 跟隨手機(jī)成長。PC 起步時，芯片種類繁多，有一兩家公司看準(zhǔn)方向，與系統(tǒng)軟件公司結(jié)合，形成開發(fā)平臺，隨之應(yīng)用程序和軟件公司開發(fā)應(yīng)用，形成生態(tài)系統(tǒng)。
生態(tài)系統(tǒng)一旦形成之后難以發(fā)生改變，對應(yīng)用軟件公司而言，平臺移植成本非常高。
而在系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域里，不同的細(xì)分市場一般只有一個龍頭，很少有老二，Intel 與微軟集成了開發(fā)平臺，其他公司很難打進(jìn)這一市場，不過由于美國的反壟斷法，PC 領(lǐng)域除了 Intel，AMD 也取得了成功。手機(jī)領(lǐng)域，最終只有 ARM 結(jié)合安卓和蘋果的 iOS 建立起強(qiáng)大的生態(tài)。
系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域中，存量市場成功的例子很少，Intel 成功打進(jìn)了原本基于 Spark 和 IBM Power 架構(gòu)的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心市場是其中一例，Intel 花費(fèi)了大量的人力、物力和財力，通過長時間的努力，才最終打進(jìn)這一市場，且市占率在 10% 以上。
RISC-V 的技術(shù)問題和商業(yè)挑戰(zhàn)
回到 RISC-V，目前我們面臨一些技術(shù)問題和商業(yè)挑戰(zhàn)。
3 年前，David Patterson 教授在烏鎮(zhèn)世界物聯(lián)網(wǎng)大會上曾提到過目前微處理器面對的一些技術(shù)問題：
功耗問題。無論是數(shù)據(jù)中心，還是智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)市場，功耗問題都變得重要，所以現(xiàn)在的芯片設(shè)計很多都是針對降低功耗的，但沒有一個能夠降低功耗的系統(tǒng)架構(gòu)，這是一個問題。
安全、可靠、隱私在現(xiàn)在的系統(tǒng)里愈發(fā)重要，這同樣是系統(tǒng)架構(gòu)考慮較少的方面。
新興應(yīng)用。比如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等都對通用芯片提出了一些新要求，這些要求在現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)上突破性不多。
微處理器的設(shè)計非常依賴系統(tǒng)軟件的兼容性，設(shè)計一款芯片一定要考慮過去的系統(tǒng)軟件，不然很多應(yīng)用程序就無法運(yùn)行，有很大的局限性。
RISC-V 商業(yè)方面的挑戰(zhàn)，需要考慮是要打入存量市場還是增量市場，除了指令集 ISA 之外，還有很多非指令 ISA 的元素，這些元素都需要在 RISC-V 架構(gòu)上進(jìn)行更好地定義，最終才能被市場接受。
RISC-V 是開源的，其他要素將來可能也要開源，但每個公司設(shè)計自己的芯片一定要有獨(dú)到之處，否則沒有實力與其他對手競爭，目前還沒有很好的解決辦法來既保持開源指令集的一致性，又讓各個公司的設(shè)計技術(shù)表現(xiàn)其獨(dú)特性。
RISC-V 不斷成長，設(shè)計隊伍越來越大，架構(gòu)指令不斷增長，有組織、可持續(xù)地做一個軟件平臺也是一種挑戰(zhàn)，因為 RISC-V 本身靈活可變，不像 X86 和 ARM 一樣基本固定。
以上這些都是技術(shù)問題引起的商業(yè)挑戰(zhàn)，或商業(yè)本身的挑戰(zhàn)。
RISC-V 開源，為指令集架構(gòu)的商業(yè)模式帶來新的可能性，至于這個商業(yè)模式最終會是什么樣?目前還未有明確的答案，希望在座的各位共同努力，找到答案。
